水利工程論文-深溝大跨度倒虹吸工程中的若干問題.doc

水利工程論文-深溝大跨度倒虹吸工程中的若干問題摘要：流量大、深溝大跨度的倒虹吸工程在丘陵山區(qū)長距離輸水工程中經常出現(xiàn)。此類工程水力學問題很復雜，不可忽視。本文主要反映引黃工程中北干渠源子河1#倒虹吸水力學試驗中出現(xiàn)的一些主要問題以及處理措施。其中（1）倒虹吸口前池的水流波動及穩(wěn)定措施；（2）倒虹吸空管時不同充水流量的流態(tài)及其安全措施；（3）倒虹吸管的水頭損失。關鍵詞：倒虹吸工程水力學問題水工模型試驗1概述丘陵山區(qū)長距離輸水工程中，跨溝跨河的渡槽或倒虹吸工程是相當多的。對于流量大、深溝大跨度的倒工吸工程，有些水力學問題很復雜，也不可忽視。引黃入晉工程中北干渠源子河1#倒虹吸工程就是一例。該工程設計過水能力Q=16m3/s，管徑=2.6m，進口前池與寬2.8m、高3.7m的門洞式涵洞相連接，出口經消力池后接2.8m3m的埋涵。倒虹吸全長330m，進口軸線高程1125.31m，出口斷面軸線高程1124.133m，平管底高程1079.5m，底坡i=1/550。如圖1。倒虹吸采用預制鋼筋混凝土管，糙率取n=0.014。圖1源子河1#倒虹吸工程布置圖由于該工程跨度大，且充水時最大水頭近50m，問題進行了長度比尺為Ly=21.4的整體正態(tài)水工模型試驗。通過試驗對設計運行中的有關水力學問題進行了研究與改進。2進口前池中的水力學問題倒虹吸進口要求水流穩(wěn)定，流速分布均勻，一般要設前池。對于大型工程更是必要的。2.1原方案及存在問題由于前池擴散段底坡比較陡，i=0.533，涵洞出口流速比較大（v=2m/s），故在前池入口陡坡上水流發(fā)生與底板分離現(xiàn)象，表層流速大，底部流速小，且近底處為負流速，負值最大達0.66m/s。由于表層流速大，至倒虹吸進口處，水流受胸墻阻擋，引起了前池水面波動及側向回流，流量越大、波動越大，當流量Q=915m3/s時，波高達0.3m以上。兩側形成連通立軸漩渦，直徑約0.5m，前池流速分布如圖2（1）所示。圖2前池流速分布圖由于前池中水流波動，流態(tài)不穩(wěn)定，引起倒虹吸及其出口消力池中水流也不穩(wěn)定。為此，進行了修改及消波處理。2.2修改方案為改善前池中流速分布，減少倒虹吸管進氣及水面波動，將前池長度由6m增加至10m，池與管口底改為1：1斜坡。試驗表明，前池底部負流速有所減少，但流速分布仍是主流在上部，水面波動及漩渦情況改善不大。為調整流速分布，改善流態(tài)，在前池進口擴散段近水面高度位置加二層整流板，迫使主流下移。如圖2（2）。修改后斷面流速垂線分布有了很大改善，主流下潛，消除了池底及胸墻處的負流速，水面波動明顯減小，在過設計流量時（Q=15m3/s），水面波高減小到0.1m以下，水面平穩(wěn)，漩渦消失，出口消力池中流態(tài)也得到了改善。3倒虹吸管中流態(tài)3.1恒定流運行時的流態(tài)倒虹吸管在正常運行狀態(tài)時，管內呈滿流承壓狀態(tài)，水平管承壓近500kPa。但若采用某級流量充水，且維持該水流量運行時，在管內某一部位出現(xiàn)殘留的氣囊或氣泡。如Q=45m3/s時，在水平管頂部殘留有細長氣囊；Q=78m3/s時，在豎管中殘留有大量的直徑約0.1m0.03m的氣泡,上下飄移，難以排出，。這些氣泡或氣囊，主要是由于空管充水時殘留的氣體所形成，兩端壓力接近時不易排出。而當增大或減小運行流量即打破其平衡時氣囊或氣泡即消失。因此，當用某級流量充水后，應改變流量，使氣泡排出倒虹吸管外再轉入正常運行流量。3.2空管充水時流態(tài)3.2.1當大流量充水時當充水流量大于2/3設計流量時（Q9m3/s），水流經上90度彎管進入豎管后，漸成散開狀下跌，除散開的水股互相撞擊外也直接擊打管壁，豎管出現(xiàn)嚴重的振動現(xiàn)象。約50m高差的水流在下90度彎道底部匯集而成高速水流，貼管底部流動，流速達20m/s以上，直至平管末端，當管末端充滿水后，滿管段逐漸自后向前推移，在滿管前部和高速水流相接處出現(xiàn)自下向上平穩(wěn)上升，上游豎管內由于水股跌落摻進大量空氣及充水過程中排出之空氣，形成了水氣混合體，這樣減小了實際過水斷面，減小了進入豎管的流量，若前池無控制水位的溢流堰，則水位隨之升高，如若用11m3/s流量充管時，則可使涵洞變成壓力流。由于前池水位的升高及豎管中空氣的排出，逐漸增加了過水能力，當?shù)购缥芰_到上游來水時，前池水位達到最高，之后隨著過水能力的增加而前池水位逐漸回落，直至恢復到正常穩(wěn)定過水狀態(tài)。3.2.2當小流量充水時當充水流量小于1/3設計流量時（Q6m3/s），水流入豎管后分散較充分，對管壁沖刷力小，由于充水速度慢，管中空氣能隨充水過程而由進口和排氣孔中排出。因而，前池基本不產生嚴重雍水現(xiàn)象，對涵洞安全也不必耽心。3.2.3當中等流量水時中等流量（Q=69m3/s）充水時，流態(tài)介于上述二者之間，對倒虹吸管道及前池安全不太有利，同時，在豎管氣水混合體，其氣泡難以排出。以上可以看出，空管充水時，必須注意其充水流量的選擇，試驗證明，充水流量不宜過大，最好采用小于1/3設計流量為宜。為防止明流涵洞出現(xiàn)承壓流現(xiàn)象，在前池設限制水位的溢流堰是必要的。同時，為保證管道在正常運行時管內流態(tài)穩(wěn)定，最好在充水完畢后，再改變一下流量以排出管內殘留氣體。4倒虹吸管的水頭損失倒虹吸管中的水頭損失對于工程的運行有著很大的影響，如設計時損失考慮過大，則會在運行時前池水位降低，影響其進口流態(tài)，若考慮過小，則會在運行時前池水位抬高。通過整體模型試驗發(fā)現(xiàn)水平管的沿程水頭損失與設計考慮值比較接近。設計條件時，誤差僅3%，而局部損失則模型中實測值與按手冊給出的系數(shù)計算值有著較大的差別?，F(xiàn)將幾個主要部分的局部水頭損失與流量的關系繪于圖3。圖3中也給出經驗系數(shù)計算值。圖3局部水頭與流量關系由圖3看出：（1）模型實測值與經驗系數(shù)值有一定差別，特別是進口與出口判別較大，流量越小判別越大；（2）由水工設計手冊和給排水手冊所查得之90度彎頭損失系數(shù)判別也很大，給排水手冊所查值接近于模型實測值；（3）倒虹吸上彎頭損失與下彎頭損失值有一定差別。上彎頭損失大于下彎頭損失，說明二者流態(tài)有著一定的差別。5束語(1)對于大跨度、大落差、大流量的倒虹吸管，其結構與流態(tài)都是十分復雜的，尤其是上游為直立豎管的情況更為復雜。因此，在有條件時，盡力避免采用，最好將上游管考慮一定坡度。(2)空管充水方式及充水流量對倒虹吸管中流態(tài)十分重要，根據(jù)試驗，當空管充水時，其充水流量不宜過大，最好控制在小于設計流量的1/3為宜。(3)前池態(tài)對倒虹吸的正常運行有著重要影響。在本工程中，當試驗提出加導流板改善池中流態(tài)及流速分布的措施，可供有關工程參考